JP2003301738A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents
筒内噴射式火花点火内燃機関Info
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Abstract
式火花点火内燃機関を提供する。 【解決手段】 インジェクタ43により燃焼室13内に
燃料を噴射して点火プラグ17により点火・燃焼させる
エンジン1は、冷間始動時に可変動弁機構2を作動させ
て吸気バルブ23と排気バルブ24のオーバーラップ量
を大きくして、EGR導入を行うとともに、インジェク
タ43からの燃料噴射を圧縮行程で行う。
Description
た燃料を点火プラグを用いて燃焼させる筒内噴射式火花
点火内燃機関に関し、特に、その冷間始動時の技術に関
する。
ガソリンエンジンが普及してきている。特開平11−3
24778号公報に記載されている技術は、こうした技
術の一例であって、冷間始動時におけるオイル希釈とス
モーク発生を同時に回避するために、排気バルブが閉じ
てから所定のクランク角度経過後に吸気バルブが開くよ
うに設定し、両方のバルブが閉じている間に燃料を噴射
するようにしている。このように、排気バルブと吸気バ
ルブの開期間をオーバーラップさせないことで、高温の
燃焼ガスの一部を燃焼室内に残留させ、その中に燃料を
噴射して、燃料の霧化を促進することでピストン冠面や
シリンダボア壁面への燃料の付着を抑制して、スモーク
発生とオイル希釈の両方を抑制できると記載されてい
る。
術は、冷間始動時には吸気行程の初期に燃料を噴射する
ことから、濃い均質混合気を形成して均質燃焼を行うも
のであり、燃費は低下してしまう。
を実現させた筒内噴射式火花点火内燃機関を提供するこ
とを課題とする。
め、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、筒内
に噴射した燃料を点火プラグを用いて燃焼させる筒内噴
射式火花点火内燃機関において、燃焼ガスを再度筒内に
導いて循環させる排ガス再循環装置をさらに備えてお
り、冷間始動時には、排ガス再循環装置を作動させると
ともに、圧縮行程において筒内への燃料供給を行うこと
を特徴とする。
rculation)装置によって高温の排ガスを筒内に再度導
入し、気筒内の吸気を加熱することで、燃料の霧化を促
進する。これにより、冷間始動時でも筒内壁面への燃料
の付着を抑制し、スモーク発生やオイル希釈を抑制でき
る。さらに、排ガスを導入することで、燃焼温度を低下
させてNOx発生量を削減することもできる。
おり、判定した吸気管負圧が所定以上の場合に、排ガス
再循環装置を作動させることが好ましい。吸気管負圧が
小さいと、EGR導入が困難であるため、このような場
合にはEGR導入を抑制することが好ましいからであ
る。
のバルブオーバーラップ量を調整する可変動弁機構であ
ることが好ましい。バルブオーバーラップを大きくする
と、排気管内の排気の気筒内への逆流を促すことができ
る。
バーラップの可変速度を速めることが好ましい。他の場
合、つまり、吸気行程噴射を行っている場合には、EG
R量を一気に大きくすると、EGRガスの偏在が起こ
り、均質な混合気を形成することができず、燃焼不安定
を招く可能性がある。これに対して、圧縮行程噴射時は
点火プラグ付近にのみ均質な混合気を形成すれば足りる
ので、バルブオーバーラップ量を一気に大きくして、E
GRガスの偏在が起こっても、安定した燃焼を行えるよ
うにすることが可能である。
の一方が開いているときの他方のリフト量を変更する機
構であってもよい。このようなリフト量変更は、例えば
3次元カムを利用することで可能となり、吸排気の基本
的なタイミングを変えることなく、EGRの導入量を制
御することができる。
る点火時期をピストンの上死点到達時以降に遅延させて
もよい。点火時期を遅らせることで、2次燃焼量を多く
して排気温度を上げ、触媒の暖機性を向上させ、エミッ
ションの悪化を抑制することができる。
い、再循環排ガス量が多くなるよう排ガス再循環装置の
作動を制御することが好ましい。点火時期を遅延させて
いくと、筒内が燃料により冷却されて、壁面等への付着
量が大きくなり、燃焼が不安定になる可能性がある。そ
こで、EGR量を多くして筒内温度を上げ、燃料の霧化
を促進することで、燃焼を安定させ、黒煙等の発生を抑
制する。
不安定になると予想される領域では、点火時期の遅延量
が大きくなるにしたがい、再循環排ガス量が小さくなる
よう排ガス再循環装置の作動を制御することが好まし
い。点火時期遅延量をさらに大きくした場合には、燃焼
時間が不足して、燃焼が不安定になる可能性がある。こ
の場合にはEGR量を抑制することで、燃料の集中性を
高め、燃焼時間を確保して、燃焼を安定させる。
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。
内燃機関を示す概略構成図である。この内燃機関1は、
高圧式のインジェクタ43により燃焼室13内に直接燃
料であるガソリンを噴射し、点火プラグ17によって点
火・燃焼させる形式のガソリンエンジンである。
方向に往復移動可能にピストンヘッド11が配置され、
このピストンヘッド11は、コンロッド12によって図
示していないクランク軸に連結され、往復運動を回転運
動に転換する。このピストンヘッド11の上部(冠面)
にはキャビティ11Aが形成されている。ピストンヘッ
ド11の冠面とシリンダヘッド14の間の空間が燃焼室
13を形成する。
部位には、インジェクタ43、吸気バルブ23、排気バ
ルブ24、点火プラグ17が配置されている。このう
ち、インジェクタ43は、ピストンヘッド11のキャビ
ティ11Aに向けて燃料を噴射しうる方向に配置されて
いる。また、点火プラグ17は、吸気バルブ23と排気
バルブ24との間で、キャビティ11Aのインジェクタ
43側とは逆の端部近傍に位置するよう配置されてい
る。吸気バルブ23は燃焼室13と吸気管15との間
に、排気バルブ24は燃焼室13と排気管16との間に
配置される。両バルブ23、24はそれぞれカム21、
22によって駆動されるものであり、可変動弁機構2
は、吸気バルブ23、排気バルブ24の開閉位相を変更
する機能を有する。
続され、ポンプ41により加圧された燃料が送られる。
この燃料ライン上には、燃料の圧力を検出する燃圧セン
サ42が配置されている。
よって制御されるものであり、エンジンECU3にはエ
ンジン冷却水温を測定する水温センサ5、クランク角度
を測定するクランク角センサ6、スロットル7下流の吸
気管15内の負圧を検出する負圧センサ8、燃圧センサ
42等の出力が入力されており、可変動弁機構2、点火
プラグ17、インジェクタ43の作動を制御するもので
ある。
明する図である。カム21、22のそれぞれのクランク
シャフトに対する回転位相を調整することで、吸気バル
ブ23、排気バルブ24それぞれが開く(バルブリフ
ト)タイミングを調整して、吸気バルブ23と排気バル
ブ24がともに開いているバルブオーバーラップの長さ
を調整することができる。以下、各バルブ23、24が
早く開くように調整すること(図中のバルブリフト曲線
を左側にずらすことに相当)を進角側に調整すると呼
び、逆に遅く開ように調整すること(図中のバルブリフ
ト曲線を右側にずらすことに相当)を遅角側に調整する
と呼ぶ。吸気バルブ23を進角側に調整するか、排気バ
ルブ24を遅角側に調整するか、両方を同時に行うこと
でバルブオーバーラップ量を大きくすることができる。
つまり、吸気バルブ23と排気バルブ24の少なくとも
いずれか一方のバルブリフトタイミングを調整可能であ
ればよい。
ついて説明する。図3は、このエンジン1の始動時の第
1の制御動作を示すフローチャートである。この制御
は、特に記載のない限り、エンジンECU3によって行
われるものであり、エンジン1の始動から停止までの
間、所定のタイミングで繰り返し実行される。
る。ここで始動時とはエンジン1を始動させる時点のみ
でなく、始動から数分後のエンジン1の暖機完了までを
含む概念である。ステップS1で始動時と判定された場
合には、ステップS2へと移行して圧縮行程噴射が可能
な運転条件か否かの判定を行う。この判定処理の詳細な
フローチャートを図4に示す。ステップS21では、ま
ず、負圧センサ8の出力と、燃圧センサ42の出力を読
み込むことで吸気管負圧Piと燃料印圧Pfとを検出す
る。続くステップS22では、吸気管負圧Piと閾値α
とを比較する。吸気管負圧Piが閾値αより高い場合に
は、ステップS23へと移行して今度は燃料印圧Pfと
閾値βとを比較する。燃料印圧Pfが閾値βより高い場
合には、ステップS24へ移行する。ステップS24で
は、圧縮行程での燃料噴射を効果的に行うことが可能な
燃料印圧Pfに到達しており、EGR効果を十分に発揮
することが可能な吸気管負圧Piに達しているとして、
圧縮行程噴射が可能であると判定し、処理を終了する。
閾値α以下と判定された場合には、EGRガスの導入が
阻害されるため、燃焼室13内の温度が低く、燃料の霧
化が阻害され、シリンダ10壁面への燃料付着等が起こ
るほか、安定した成層燃焼が行えないおそれがあるた
め、ステップS25へと移行し、圧縮行程噴射は不可で
あると判定する。また、ステップS23で燃料印圧Pf
が閾値β以下と判定された場合は、燃料印圧が不足する
ため、圧縮行程で必要な量の燃料噴射を確保することが
できず、最悪の場合には失火に至ってしまうことから、
ステップS25へと移行し、圧縮行程噴射は不可である
と判定する。
ると判定した場合には、図3のメイン処理でステップS
3へと移行し、噴射時期を圧縮行程時に設定する。次
に、ステップS4でVVT目標値をオーバーラップ量が
大になる方向に設定して処理を終了する。これにより、
可変動弁機構2は、カム21、22の位相を調整するこ
とにより吸気バルブ23、排気バルブ24のバルブリフ
トタイミングをこの目標値に合致させることで、バルブ
オーバーラップを増大させ、インジェクタ43は圧縮行
程において燃料噴射を行う。バルブオーバーラップを増
大させることで、一旦排気管16へ排出された燃焼ガス
が吸気行程で再び燃焼室13に導入される内部EGR効
果が得られる。こうして、EGRガスの還流量を増大さ
せることで、実圧縮比を増大させるとともに、高温の燃
焼ガスによって燃焼室12内を早期に昇温することによ
り燃料の霧化を促進して燃焼室12の内壁等への燃料の
付着を抑制し、成層化による燃焼安定性を向上させて黒
煙の排出を抑制し、エミッションを向上させる。これに
より、理論空燃比よりも若干薄い15〜16程度の空燃
比での成層燃焼が可能となるため、始動時の燃費、エミ
ッションが向上する。
であると判定した場合には、ステップS5へと移行して
噴射時期を吸気行程時に設定し、ステップS6でVVT
目標値をオーバーラップ量が小となるように設定する。
この場合には、圧縮行程噴射が効率よく行える状態にな
いため、吸気行程噴射を行うことになるが、始動時の吸
気行程噴射時にバルブオーバーラップ量を大きくする
と、EGRガスが燃焼室13内で偏在して均一に混ざり
にくいことや、燃焼速度が遅いことにより、燃焼が不安
定になるおそれがある。そこで、バルブオーバーラップ
量を小さくしてEGRガスの還流を抑制することで安定
した燃焼を行い、エミッションの劣化を抑制する。
場合には、ステップS7へと移行し、負荷・エンジン回
転数に応じて燃料噴射時期、VVT目標値を設定する。
例えば、低回転低負荷時には、燃料を圧縮行程時に噴射
し、安定した成層燃焼を行い、燃費とエミッションの向
上を図る。高回転・高負荷時には、燃料を吸気行程で噴
射して均質混合気を形成することにより均質燃焼を行う
ことで、高出力を確保する。
23、排気バルブ24のバルブリフトタイミングを調整
する際には、以下のような制御を行うことが好ましい。
図5はこの調整制御を示すフローチャートであり、この
制御は、図3の制御処理に引き続いて実行される。
を判定する。ステップS31で始動時と判定された場合
には、ステップS32へと移行して圧縮行程噴射に設定
されているか否かを判定する。圧縮行程噴射に設定され
ているときには、ステップS33へと移行してバルブオ
ーバーラップの変更速度を大に設定し、続くステップS
34でこの変更速度が得られるよう、実際の可変動弁機
構2の制御量を算出する。このようにすることで、圧縮
行程噴射を行う際には、速やかにバルブオーバーラップ
量を目標値に変更し、内部EGRの供給量を増大させる
ことで、筒内温度を昇温させて、燃料の霧化を促進し、
燃焼を安定させることができる。
判定された場合およびステップS32で圧縮行程噴射に
設定されていない、つまり、吸気行程噴射に設定されて
いると判定された場合には、ステップS35へと移行し
てバルブオーバーラップの変更速度を小に設定し、続く
ステップS34でこの変更速度が得られるよう、実際の
可変動弁機構2の制御量を算出する。このようにするこ
とで、特に、吸気行程噴射時にバルブオーバーラップ量
の急変を抑制し、内部EGR供給量の急変を抑制するこ
とで、燃焼条件の急変を抑制し、燃焼が不安定になるの
を防止する。
形態のいくつかについて具体的に説明する。まず、図6
は、このエンジン1の始動時の第2の制御動作を示すフ
ローチャートである。この制御も、特に記載のない限
り、エンジンECU3によって行われるものであり、エ
ンジン1の始動から停止までの間、所定のタイミングで
繰り返し実行されるものである。
およびS2からS3、S5への分岐処理内容は図3に示
される第1の制御動作と同一であり、その詳細な説明は
省略する。ステップS3で噴射時期を圧縮行程に設定し
た後は、ステップS51へと移行し、点火遅角量を設定
する。この遅角量は、エンジン1の運転状態、例えば、
水温センサ5で測定したエンジン冷却水温や負圧センサ
8で測定した吸気管15内の負圧をもとに予め作成した
マップを参照することで設定すればよい。これにより、
点火プラグ17による点火時期を圧縮行程から膨張行程
に移行する際のピストンヘッド11のTDC(上死点)
位置到達以降(以下、単にTDC以降と称する。)に遅
らせる遅角処理を行う。
を設定する。このVVT目標値は、例えば、エンジン回
転数に応じて、吸入空気量もしくは内部EGR量が最大
となるオーバーラップ量に設定される。図7、図8は、
バルブオーバーラップ量に対して吸入空気量、内部EG
R量がどのように変動するかを示したグラフである。図
7に示されるように、エンジン回転数が同一のとき、吸
入空気量が最大となるバルブオーバーラップ量が存在す
る。バルブオーバーラップ量をこの値に設定すると、充
填効率が最大となる。また、点火を遅角させることで2
次燃焼の割合を増大させ、排気温度を上げて触媒の早期
活性化を促す。これにより、未燃HCの排出を抑制する
ことができる。一方、内部EGR量についても図8に示
されるように、エンジン回転数が同一のとき、内部EG
R量が最大となるバルブオーバーラップ量が存在する。
ここで、吸入空気量が最大となるバルブオーバーラップ
量と内部EGR量が最大となるバルブオーバーラップ量
とは一致することもあるが、通常は、別の値をとる。内
部EGR量が最大となるバルブオーバーラップ量を選択
した場合には、燃料霧化の促進効果、筒内早期暖機効果
が最大となるため、燃焼安定性を保ちつつ、黒煙の排出
低減効果を最大にすることができる。
時期を吸気行程時に設定した場合には、ステップS53
へと移行し、点火時期を進角側に設定する。そして、ス
テップS54では、図3に示されるステップS6と同様
にVVT目標値をオーバーラップ量が小となるように設
定する。この場合の制御は、第1の制御動作と同様にな
る。始動時以外の制御についても同様である。
回転数において、吸入空気量もしくは内部EGR量が最
大となるバルブオーバーラップ量に設定する場合を例に
説明したが、点火遅角量に基づいて設定してもよい。こ
の場合、図9に示されるように、点火遅角量ΔIがある
値ΔIthをとるときにバルブオーバーラップ量を最大
とし、点火遅角量ΔIがこれより小さいときは点火遅角
量が大きくなるほどバルブオーバーラップ量を大きく設
定し、点火遅角量ΔIがこれより大きいときは点火遅角
量が大きくなるほどバルブオーバーラップ量を小さく設
定してもよい。点火遅角量が大きいほど、シリンダ10
壁面への燃料付着が起こりやすくなる。そこで、点火遅
角量が比較的小さい領域では、点火遅角量が増大するほ
ど、バルブオーバーラップ量を大きくすることで、内部
EGR量を増大させて燃料噴射時における筒内温度を上
げて燃料霧化を促進し、シリンダ10壁面への燃料付着
を抑制し、燃焼安定性を保ちつつ、黒煙の生成を抑制す
る。一方、点火遅角を大きくするほど燃焼の不安定さが
増す傾向がある。燃焼が不安定になる領域では、内部E
GR量を減少させることで、燃焼安定性を向上させる。
とにしてあらかじめ設定しておき、エンジンECU3内
に保持しておけばよい。また、燃焼状態(排気の空燃比
や回転数変動等)を基にして運転中に設定するようにし
てもよい。
バルブリフト曲線の形状を変えずに進角側、遅角側に移
動させることでバルブオーバーラップを変える例を説明
してきた。しかし、例えば、排気バルブ24を開閉させ
るためのカム22が図10に示されるように、軸方向で
異なるカム形状を有し、一部断面では1つのカム山22
aのみを一部断面では2つのカム山22a、22bを有
するような形状とすることで、図11に示されるように
吸気バルブ23が開いているときに、排気バルブ24も
また再度開くようにしてもよい。このようなバルブ機構
を用いてもバルブオーバーラップを増大させて内部EG
Rを行うことができる。吸気バルブ23を開閉させるた
めのカム21を2つのカム山を有する形状として排気バ
ルブ24が開いているときに、吸気バルブ23も開くよ
うな構造としてもよい。このようにすると、カム21ま
たは22をカム軸方向にスライドさせることで、バルブ
オーバーラップ量の変更が可能となるため、可変動弁機
構2の構成が簡単になり、その信頼性がさらに向上す
る。
ではなく、排気管16から吸気管15へ直接既燃ガスを
戻す循環装置を備えていてもよい。
間始動時において、圧縮行程で燃料噴射を行い、EGR
ガスを導入することで、燃料の霧化を促進し、筒内を早
期に暖機させて、燃焼を安定させて黒煙の排出、エミッ
ションの低下を抑制する。
ことで、触媒の早期活性化を実現し、暖機性を向上させ
てエミッションの悪化を抑制することができる。
略構成図である。
である。
すフローチャートである。
理の詳細なフローチャートである。
トタイミングの調整制御のフローチャートである。
すフローチャートである。
変動を示すグラフである。
の変動を示すグラフである。
ラップ量を示すグラフである。
詳細を説明する図である。
ンECU、4…インジェクタ、5…水温センサ、6…ク
ランク角センサ、7…触媒温度センサ、10…シリン
ダ、11…ピストンヘッド、11A…キャビティ、12
…コンロッド、13…燃焼室、14…シリンダヘッド、
15…吸気管、16…排気管、17…点火プラグ、21
…吸気カム、22…排気カム、23…吸気バルブ、24
…排気バルブ、。
Claims (8)
- 【請求項1】 筒内に噴射した燃料を点火プラグを用い
て燃焼させる筒内噴射式火花点火内燃機関において、 燃焼ガスを再度筒内に導いて循環させる排ガス再循環装
置をさらに備えており、 冷間始動時には、前記排ガス再循環装置を作動させると
ともに、圧縮行程において筒内への燃料供給を行うこと
を特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。 - 【請求項2】 吸気管負圧を判定する手段をさらに備え
ており、判定した吸気管負圧が所定以上の場合に、前記
排ガス再循環装置を作動させる請求項1記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関。 - 【請求項3】 前記排ガス再循環装置は、吸気弁と排気
弁のバルブオーバーラップ量を調整する可変動弁機構で
ある請求項1または2に記載の筒内噴射式火花点火内燃
機関。 - 【請求項4】 前記冷間始動時には、他の場合よりバル
ブオーバーラップの可変速度を速める請求項3記載の筒
内噴射式火花点火内燃機関。 - 【請求項5】 前記可変動弁機構は、吸気弁または排気
弁の一方が開いているときの他方のリフト量を変更する
機構である請求項3または4に記載の筒内噴射式火花点
火内燃機関。 - 【請求項6】 冷間始動時には、さらに、点火プラグに
よる点火時期をピストンの上死点到達時以降に遅延させ
る請求項1〜5のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火
内燃機関。 - 【請求項7】 点火時期の遅延量が大きくなるにしたが
い、再循環排ガス量が多くなるよう前記排ガス再循環装
置の作動を制御する請求項6記載の筒内噴射式火花点火
内燃機関。 - 【請求項8】 点火時期遅延量が大きく、燃焼が不安定
になると予想される領域では、点火時期の遅延量が大き
くなるにしたがい、再循環排ガス量が小さくなるよう前
記排ガス再循環装置の作動を制御する請求項7記載の筒
内噴射式火花点火内燃機関。
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